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10X Genomics平台单细胞转录组测序、

肺泡发育和再生、

谱系追踪

来源：测序中国

肺泡I型（AT1）细胞对肺的气体交换功能至关重要，同时在损伤诱导的肺泡再生期间具有肺泡可塑性，其在肺泡发育和再生过程中存在着异质性。北京生命科学研究所的汤楠教授近期使用10X Genomics单细胞转录组测序技术在肺泡发育和再生研究领域取得突破性进展，发现Igfbp2是一种高度特异性的AT1细胞终末分化的遗传标记，该文章也是中国大陆第一篇使用该技术发表的文章。

肺泡上皮细胞不仅对肺气体交换功能至关重要，而且还是保护身体免受危害的重要屏障。响应急性损伤时，肺泡能够快速修复和再生新的肺泡上皮细胞以恢复完整的上皮屏障。它主要由两种类型的上皮细胞组成：肺泡I型（AT1）和II型（AT2）细胞。AT2细胞是较小的立方形细胞——具有合成和分泌肺表面活性物质的功能，另外，AT2细胞在培养过程中可以分化为AT1细胞并在肺泡内稳态同时进行损伤修复；AT1细胞是大鳞状细胞，覆盖于95％的肺泡表面并形成薄层气血屏障的上皮组分。目前已知肺泡I型（AT1）细胞对肺的气体交换功能至关重要。 AT1细胞在损伤诱导的肺泡再生期间具有细胞可塑性。然而，AT1细胞群在个体发育身兼数职，那么它如何实现的呢？

本研究利用10X Genomics平台在大规模单细胞水平研究个体出生后AT1细胞发育变化，找出其发育中特异性遗传标记—Igfbp2，并使用Igfbp2结合谱系标记，免疫染色在肺泡发育期间（体内）和PNX（体外）来验证，鉴定出生后的AT1细胞群实际上有两个AT1细胞亚型（Hopx+Igfbp2+和Hopx+Igfbp2־AT1细胞），在肺泡再生过程中具有不同的细胞命运。（图1）

图1 利用10X Genomics平台大规模单细胞RNA-seq解析肺泡AT1细胞的发育和再生机制

图2 scRNA-seq分析AT1细胞从P3期到P60期，不同基因表达的变化趋势

图3 肺解离后P60期，AT1和AT2细胞分选scRNA-seq分析的示意图

图4 AT1和AT2细胞scRNA-seq分析的t-SEN和富集图

结合已知的和新鉴定的AT1细胞标记，发现Igfbp2是成熟AT1细胞中最具特异性的生物标记基因之一（图5和图6）。有趣的是，发育过程表达Igfbp2的细胞部分在出生后AT1细胞中增加，而典型的AT1生物标志物基因如Pdpn，Hopx，Aqp5和Ager在几乎所有的AT1细胞中均不变地表达（图2）。用针对Igfbp2（绿色）和Hopx（红色）的抗体分析E18.5和P30小鼠肺（图7）。在P1中，只有不到20％的Hopx+AT1细胞对Igfbp2表达有阳性表达。15分钟后，Hopx+Igfbp2+AT1细胞的百分比增加到85％。到P60，有95％的Hopx+AT1细胞对Igfbp2表达呈阳性。E18.5肺中的Hopx+AT1细胞不表达Igfbp2；P60肺中少于5％的Hopx+AT1细胞不表达Igfbp2。以上免疫染色结果显示5％Hopx+AT1细胞不表达Igfbp2，与我们针对肺P60的scRNA-seq结果一致。(图2，右)

图5 scRNA-seq分析鉴定先前未知的P60肺AT1和AT2细胞的生物标志物

图6 mRNA表达水平的定量实时PCR分析

图7 Igfbp2在AT1细胞中特异性表达（图B1,958个细胞；图C和D总共3,377个细胞; 图E和F总共2,691个细胞；n = 5只小鼠；A，C，E和G-I，25um）

总 结一下

① Igfbp2是一种高度特异性的AT1细胞终末分化的遗传标记。

② 成熟AT1细胞群包含两种不同类型的细胞：95%Hopx+Igfbp2+和5％Hopx+Igfbp2-AT1细胞。

③Hopx+AT1细胞终末分化为 Hopx+Igfbp2+AT1细胞亚型;但它们不能转分化成AT2细胞，并且在肺泡再生过程中不能增殖，占95%。

④Hopx+Igfbp2-AT1细胞，占成熟的Hopx+AT1细胞5％以下，可分化成AT2细胞，从而有助于肺泡损伤后再生过程中修复组织的完整性。

这项研究基于10X平台的群体单细胞转录组测序技术证实AT1细胞群在肺泡发育和肺泡再生期间实际上由两种不同的AT1细胞类型组成，其中单细胞转录组建库实验在博奥晶典完成。对Igfbp2是AT1细胞终末分化的强大和可靠标记的证明将使未来能够控制AT1细胞在发育，疾病和肺再生中功能的遗传和细胞机制。在AT1发展中Igfbp2的功能仍有待阐明。因此，很明显未来的研究将需要精确定义AT1细胞中Igfbp2和其他IGFBP家族成员的生物分子功能。

Yanjie Wang et al , Pulmonary alveolar type I cell population consists of two distinct subtypes that differ in cell fate.(PNAS).IF=9.423

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